5.5.4 ВНУТРЕННИЕ ПОМЕХИ

Рассмотрим воздействие ОС на помехи, которые возникают непосредственно в самом усилителе внутри петли ОС. Напряжение таких помех может действовать на выходе усилителя и при отсутствии сигнала на входе. На входных клем­мах усилителя с ОС 5—5 (рис.6.8…6.11) напряжение сигнала равно нулю, а на выходе усилителя действует на­пряжение . Если напряжение помех попадает на вход усилите­ля (клеммы 5—5), то оно уже не подвержено влиянию ОС.

Напряжение собственных помех может появиться за счет пульсации напряжения источника питания (фона), паразитных наводок (шумов, в первую очередь усилительных элементов) и нелинейности усилителя. Из-за нелинейности в усилителе кроме напряжения основной гармоники появляются напряжения высших гармонических составляющих. Если на входе усилителя действует одно гармоническое на­пряжение с частотой ₁, то на выходе усилителя помимо напря­жения основной гармоники U(₁) появляются напряжения высших гармонических составляющих U(2₁), U(3₁) и т.д.

Усилитель считается линейным для малых воздействую­щих напряжений, т. е. для напряжений фона, наводок и шумов. Для напряжений, возникающих за счет нелинейных искажений, усилитель считается квазилинейным. При большой амплитуде напряжения первой гармоники с частотой ₁ усилитель – не линейный преобразователь. Из-за нелинейности и появляются высшие гармонические составляющие (и ком­бинационные частоты) на выходе. Но для этих высших гармониче­ских составляющих, попадающих на вход усилителя по цепи ОС, усилитель можно считать линейным, поскольку их уровень на по­рядок или несколько порядков меньше уровня основных гармо­нических составляющих.

Последовательная ОС по напряжению – рис.7.1.

Линейность усилителя по отношению к указанным помехам позволяет использовать принцип суперпозиции и ограничиться рассмотрением воздействия на усилитель с ОС лишь одной гар­монической составляющей помехи. Рассмотрим влияние на напря­жение этой помехи u_П = U_mпcost частотно-независимой после­довательной ООС по напряжению – рис.7.1.

На выходе усилителя без ОС действует напряжение помехи _П, при введении ОС на выходе усилителя будет действовать. напряжение помехи _ПОС. Напряжение _П на выходе усилителя останется и при введенной OC, но к этому напряжению доба­вится еще напряжение _ПДОБ.

Напряжение _ПДОБ появляется на выходе из-за наличия напряжения _ПОС на входе цепи ОС. При замкнутой цепи ОС на клеммах 4—4 появляется напря­жение _П , действующее во входной цепи усилителя. За счет на­пряжения _П на входе усилителя без ОС (клеммы 1—1) появля­ется напряжение _ПВХ . Именно из-за напряжения _ПВХ на входе усилителя и появляется на его выходе напряжение _ПДОП . В результате на выходе усилителя при ОС будет действо­вать напряжение

_ПОС = _П + _ПДОБ. (3.36)

Так как напряжение _ПДОБ появляется в результате усиления помехи _ПВХ , то с учетом действия ООС напряжение _ПДОБ должно быть в противофазе с напряжением

_ПВХ , т. е. _ПДОБ =  _ПВХ К . (3.37)

Из схемы на рис.7.1 следует, что _П =   _ПОС . (3.38)

Для нахождения напряжения _ПВХ рассмотрим контур 4-5- R_Г-5-1-1-4 во входной цепи усилителя – рис.7.2. В усилителе, как в линейной системе, можно положить Е_Г=0.

Подставляя (3.37)…(3.39) в (3.36), находим соотношение между напряжениями помехи в усилителе

_ПОС = _П /(1 +  ). (3.40)

При последовательной ООС по напряжению согласно (3.40) напряжения помех, вносимые самим усилителем, уменьшаются (в сквозную глубину ОС) в

F^* = (1 +  К^*)

раз, во столько же раз во сколько уменьшается сквозной коэффициент усиления по на­пряжению К^* независимо от значения F.

При последовательной положительной ОС по напряжению формула для имеет вид: = .

Видно, что положительная ОС увеличивает напряжение помех на выходе усилителя при 0 < К^* < 1, причем помехи постоянно растут до наступления самовозбуждения усилителя. Это негативное явле­ние проявляется при любом виде положительной ОС.

Аналогичным образом можно показать, что при любых видах ООС напряжение помех на выходе усилителя будет определяться выражением: = . Например, при параллельной ООС по току = .

Подчеркнем, что ООС снижает уровень помех только в той части усилителя, которая охвачена соответст­вующей петлей ОС.

Уменьшение помех на вы­ходе усилителя за счет ООС дает ряд преимуществ: умень­шение напряжения пульсации позволяет использовать про­стой и экономичный вторичный источник питания (ВИП) и простые фильтры для сглаживания пульсации в усилителе; уменьшение наводок дает возможность упростить экранировку и конструкцию усилителя; уменьшение шумов позволяет избежать неприятного «шипения» усилителя в паузах речи.

5.5.5 НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ

Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент гармоник k_Г. При ООС напряжение второй, к примеру, гармоники

U_2OC = U₂ / F^*.

Коэффициенты гармоник с ОС k_Г2OC и без ОС k_Г2 определяются форму­лами k_Г2OC = U_2OC / U_1OC и k_Г2 = U₂ / U₁.

Сравнивать k_Г2OC и k_Г2 следует в равных условиях, когда уменьшение U_1OC из-за ООС компенсируется соответствующим увеличением ЭДС источ­ника сигнала, т. е. следует полагать U_1OC = U₁. При этом U_2OC не увеличивается, так как напряжения с такой частотой нет в соста­ве спектра ЭДС источника сигнала, а лишь сохраняет свою вели­чину такой же, как и до увеличения U_1OC. Тогда из приведенных выше формул следует

k_Г2OC = k_Г2 U_2OC / U₂ = k_Г2 / F^*. (3.41)

В силу принципа суперпозиции полученное соотноше­ние справедливо для любой высшей гармоники k_ГOC = k_Г / F^*. (3.42)

Из формул (3.41) и (3.42) следует, что ООС уменьшает k_Г именно в F* (сквозная глубина ОС) раз, а не в F раз. Это соотноше­ние справедливо для любого вида ООС.

5.5.6 ЧАСТОТНЫЕ И ПЕРЕХОДНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ

Обратные связи, изменяя коэффициент усиления по напряже­нию К*, оказывают влияние и на линейные искажения в усилите­ле. Различают влияние на линейные искажения частотно-незави­симой ООС, когда const, и частотно-зависимой ООС, когда

  var.

Рассмотрим вначале влияние на линейные искажения в уси­лителе в области ВЧ частотно-независимой ООС. Коэффициент усиления в области ВЧ может быть представлен вы­ражением

= / (1+j_HF ) . (З.43)

где _HF — постоянная времени усилительного каскада в области ВЧ. Коэффи­циент усиления по напряжению, к примеру, усилителя с последо­вательной ООС по напряжению определяется выражением (3.5) = / (1+ ).

Подставив в (3.5) = из (3.43), получим

= / (1+j_HF )[1+ / (1+j_HF)] (3.44)

или = _OC / (1+j_HFOC), (3.46)

где _OC = /F^*_CP; _HFOC = _HF /F^*_CP; (3.45)

F^*_CP = 1+  – сквозная глубина ООС на средних частотах.

y_OC = / _OC = 1 / (1+j_HFOC). (3.47)

Из (3.45)…(3.47) следует, что частотно-независимая ООС уменьшает постоянную времени каскада в F^*_CP раз, уменьшая тем самым и линейные искажения в усилителе.

Найдем связь коэффициента частотных искажений в усилите­ле с частотно-независимой ООС (М_ОС) с коэффициентом частот­ных искажений без ОС (М). Согласно (3.47) М_вч = М_HF = . (3.48)

Аналогично из (3.47) имеем М_вчOC = . (3.49)

Отсюда получаем _ОС  1 = (  1)/(F^*)² . (3.50)

Переходные искажения в первую очередь опреде­ляются временем установления фронта импульса t = 2,2_HF , поэтому с учетом (3.45) имеем

t_yOC = t_y/ F^*_CP. (3.51)

Используя (3.47), можно показать, что tg _OC = (tg )/F^*. (3.52)

Из (3.51) и (3.52) следует, что частот­но-независимая последовательная ООС уменьшает и фазовые искажения, и переходные искажения в усилителе. Это положение, как и выражение (3.50), справедливо для любого вида ООС.

Введем понятие площади усиления каска­да П^*= К^*_ср_СВ и обозначения для площади усиления каска­да без ОС и с ОС:

К^*_ср_срВЧ ; П^*_ОС = К^*_срОС _срВЧОС ,

где _срВЧ — частота, на которой коэффициент частотных искажений М_вч или М_вчOC = . Отсюда из (3.48) и (3.49) получаем

 _срВЧ =1/_HF ; _срВЧОС=1/_HFOC

Несложно показать, что П^*= П^*_ОС – частотно-независимая ООС не меняет площади усиления каскада.

При частотно-зависимой ООС коэффициент передачи цепи ОС  зависит от частоты сигнала. Частотно-зависимая ООС изменяет АЧХ усилителя по закону, обратному закону изменения с часто­той коэффициента передачи цепи ОС (f). Например, пусть коэф­фициент усиления по напряжению усилителя без ОС в рабочем диапазоне частот не зависит от частоты, а зависимость коэффи­циента передачи цепи ОС (f), показанная на рис.7.3, имеет про­вал. Тогда К_ос будет иметь подъем на соответствующих частотах. Частотно-зависимую ООС широко используют для формирования АЧХ заданной формы.

5.5.7 УСТОЙЧИВОСТЬ УСИЛИТЕЛЕЙ

При положительной обратной связи (ПОС) усилитель мо­жет самовозбуждаться – в усилителе может возникнуть генерация. Условия появления генерации: 1) фазовый сдвиг петлевого усиления равен нулю _Т = 0 – необходимое условие ПОС; 2) не менее единицы значение модуля петлевого усиления Т (в разомкнутой петле ОС). Будем в дальнейшем рассматривать только частотно-независимую ОС. К примеру, при последова­тельной ОС по напряжению:

=   = K(f ) = T(f ) . (3.53)